变电站内建筑的防雷接地系统基本是针对传统的钢筋混凝土材质的建筑物进行设计。目前变电站正在大力推广应用装配式钢结构建筑物,其防雷接地设计基本参照 《建筑物防雷设计规范》(B50057—2010)中的要求,即屋顶加装避雷带、专门敷设引下线、与主接地网相连部位设置集中接地极〔1〕。由于变电站属于对国民经济有重要意义的建筑物,属于二类防雷建筑物,变电站内建筑的防雷接地设计要求较民用建筑更为严格,因此有必要对变电站内装配式钢结构建筑物防雷接地技术进行详细研究,并提出适合变电站装配式钢结构建筑物的防雷接地设计系统〔2-3〕。本文采用 CDEGS(Current Distribution Electromagnetic Fields Grounding and Soil Structure Analysis)软件对变电站装配式钢结构建筑防雷接地仿真计算,通过对所得仿真计算数据的总结和分析,提出变电站装配式钢结构建筑的防雷接地优化方案。
案例1中教师的操作有两个问题：第一，实验的目的是验证水的热胀冷缩。试管里应该装满水，但教师用于实验的试管却有约20%空气，而空气的热胀冷缩现象比水更加明显。实验观测到的结果究竟是“水的热胀冷缩”，还是“空气的热胀冷缩”导致的呢？这影响了实验的准确性。第二，违反操作规程。在实验过程中教师擅自取开气球皮，人为改变实验进程。这不利于培养学生正确的实验观和实验操作方法。
在变电站中,主控室就是整个变电站的 “大脑”,是以电气单元为中心,综合了监控、保护、通信及辅助用房等多功能的联合建筑。本文参照以往220 kV变电站主控室的典型技术条件作为研究对象,进行装配式钢结构建筑防雷接地技术研究。主控室外形尺寸为13.0 m×21.0 m×4.2 m(长×宽×高),单层布置,设置有二次设备室、蓄电池室、安全工具间、资料室、卫生间等。主控室为装配式钢结构建筑,采用钢框架结构,由钢梁、钢柱等主构件构建房屋骨架,采用焊缝或螺栓连接方式;次构件 (檩条)为高强度的、经防腐处理的冷弯薄壁C型或Z型钢,和主钢架采用螺栓连接;围护系统 (墙体、屋顶)采用压型钢板或夹芯彩板等,大多通过自攻螺栓和檩条 (屋面檩条或沿墙檩条)连接,围护系统之间连接方式一般为咬合连接或者搭接连接。一般装配式钢结构建筑下面建设0.9 m高的墙体,用于防潮,上面是夹芯板或者压型板的墙体〔4-5〕。
CDEGS软件是加拿大 SES(Safe Engineering Services＆technologies)公司研制开发的一套功能强大的专业软件工具,可用来精确分析接地、电磁场、电磁干扰等问题。CDEGS可以提供建筑物遭受直击雷情况下,由雷击等引发的建筑、埋设系统或地面系统的一系列电磁问题的仿真计算。
首先,采用CDEGS软件对变电站的装配式钢结构建筑防雷接地系统进行全局建模,如图1所示。模型中各部分结构及细节均按照实际变电站主控室防雷接地系统进行建模,模型主要包含建筑物、接闪器、引下线、集中接地极、主接地网、土壤等。
模型防雷接地根据 《建筑物防雷设计规范》(B50057—2010)中相关要求,接闪器采用0.6 mm厚压型钢屋面,引下线利用12根工字钢立柱,工字钢与主地网的连接线采用60×8镀锌扁钢,集中接地极为2.5 m长角钢,主地网为60×8镀锌扁钢在站内形成的条形水平接地网,土壤为双层土壤模型：顶层电阻率为900Ω·m,厚度3 m;底层电阻率为1 600Ω·m,厚度无穷大。
图1 变电站建筑防雷接地系统模型
为使雷电流选择具有普适性,依据 《建筑物防雷设计规范》 (GB50057—2010)进行雷电流选择,变电站属于二类防雷建筑物,由于负闪雷击占90%以上,这里雷击参量选择二类建筑首次负极性雷电流参数,即幅值为75 kA;波头为1μs;半波时间为200μs。雷击点选取主控室屋角。
通过CDEGS软件模拟仿真计算,结果如图2—4和表1所示。
我常常劝他，爸爸，你娶个后妈嘛，大冷天的，给你暖暖脚也好，我一点也不介意，如果你怕养不活她，我来养她。
图2 屋面 (接闪器)的雷电流分布
图3 工字钢立柱 (引下线)的雷电流分布
图4 主接地网 (接地装置)的雷电流分布
表1 仿真计算数据
位置 最大导体电流/kA 最大导体金属电压kV建筑物屋顶 32.76 1 753.72建筑物檩条 9.33 1 490.82建筑物立柱 16.03 1 448.02集中垂直接地极 0.72 1 422.55变电站主接地网 27.94 1 359.67
从表1计算结果可以看出,雷击屋面后,雷电流沿着雷击点到主地网的路径流动,依次为屋顶、檩条、工字钢立柱、集中垂直接地极、主接地网,最大导体金属电压随路径逐渐减小。主要表现为：①屋顶与主构件工字钢立柱和次构件檩条直接连接,在雷击屋顶后,雷电流会从屋顶传导至工字钢和檩条;②工字钢立柱是屋顶连接至主地网的垂直最短、截面最大的路径,承担了主要的雷电流疏散;③墙体檩条是垂直于工字钢立柱水平设置的,而且截面较小,因此承担散流能力较工字钢立柱弱;④在土壤接地电阻率较大的前提下,集中垂直接地极的散流能力有限,主要依靠水平主接地网的散流。
传动比条件要求行星轮系按照给定的传动比进行运转。定义各齿轮相应齿数为z1、z2，、z3，由太阳轮1与行星架H的传动比i1H=1-，得：
根据 《建筑物防雷设计规范》 (GB50057—2010),除第一类防雷建筑物外,金属屋面的建筑物宜利用其屋面作为接闪器,并应符合相关规定。主控室的围护系统及建筑物内无易燃易爆物品,金属屋面厚度大于0.5 mm,且表面并无绝缘层。装配式钢结构建筑物的围护系统连接方式一般为咬合或者搭接,为确保屋顶板间的连接应是持久的电气贯通,无论是压型钢板还是夹芯板,其外观都是瓦楞形的,采用搭接时的搭接长度至少要达到一个波峰或波谷,超过100 mm则完全满足要求。
根据 《建筑物防雷设计规范》 (GB50057—2010),专设引下线不应少于2根,并应沿建筑物四周均匀对称布置,其间距沿周长计算不应大于18 m。由于主控室为人员经常活动的场所,还需要考虑在建筑物引下线附近保护人身安全,采取防接触电压和跨步电压的措施。按照规范要求及计算结果,主控室最合适的方式为引下线利用电气贯通的建筑物金属构架,且组成不少于10根工字钢立柱的自然引下线。同时在钢柱地上500 mm处设置接地端子或者预留接地孔,通过接地扁钢或者其他连接导体,与主地网相连接,确保引下线入地可见,采用基础钢筋做引下线时,便于人员检查电气导通的可靠性。
主控室引下线以工字钢立柱为主,其截面积远大于规范对于引下线导体截面积要求,但是装配式钢结构建筑物的主钢架、次构件、围护系统在施工中需要作可靠的连接,可采用铜锌合金焊、熔焊、卷边压接、缝接、螺钉或螺栓连接,但是必须确保形成持久的电气通路。
为分析集中垂直接地极在接地中的作用,在仿真模型其他条件不变的前提下,对无集中垂直接地极的情况加以仿真计算。在有集中接地极下,所有雷电流、电压数据均小于无集中接地极情况,表明集中接地极的确有散流效果,然而金属导体最大地电位升GPR变化率不超过3%,金属导体最大电流变化率不超过4%。可见集中接地极对雷电流扩散作用较小。因此在实际设计中,引下线入地是否加装集中垂直接地极,可以根据其散流情况加以判别。
将原模型的主地网从条形改为网格大小约为8 m x 12 m网格形,进行仿真计算,结果见表2。
At 400 °C, chains of nanoparticles of the digenite phase are formed since the full phase transition from chalcocite to digenite is obtained.
表2 仿真计算数据对比
位置 最大导体金属电压/kV原主地网 网格形主地网 减小百分比/%建筑物屋顶 1 753.72 1 658.40 -5.4建筑物檩条 1 490.82 1 405.11 -5.7建筑物立柱 1 448.02 1 360.28 -6.1集中垂直接地极 1 422.55 1 358.82 -4.5变电站主接地网 1 359.67 1 280.31 -5.8
经比较,变电站主要部位雷电流、电压的结果在网格主地网下,所有雷击电磁干扰的物理量数值均有所下降,最大下降约为6.1%,可见网格主地网增强了变电站雷电流的散流能力。由于变电站的主接地网是在考虑了接触电压和跨步电压满足要求的前提下设计的,较民用建筑的接地装置要求更加严格。因此,主接地网在满足人身及设备安全要求的前提下,不应以扩散雷电流、降低导体瞬时雷电压为目的进一步扩大主接地网的投入。
采用CDEGS软件对变电站主控室 (装配式钢结构建筑物)进行了防雷接地建模。在雷击下,对雷电流、雷电压逐一进行仿真计算。通过对所得仿真计算数据的总结和分析,优化变电站装配式钢结构建筑的防雷接地方案。变电站装配式钢结构建筑物的防雷接地较民用建筑要求更加严格,尤其强调防雷接地系统的可靠性,但是在满足设备和人员安全的前提下,可靠性的要求不能以进一步提高投资为代价。
参考文献
〔1〕中国机械工业联合会.建筑物防雷设计规范：GB/T 50075—2010〔S〕.北京：中国计划出版社,2011.
〔2〕张纬钱,何金良,高玉明,等.过电压防护及绝缘配合 〔M〕.北京：清华大学出版社,2002.
〔3〕林福昌.高电压技术 〔M〕.北京：科学出版社.2004.
〔4〕李兴龙,潘世平.轻钢结构建筑物防雷设计浅论 〔J〕.建筑电气,2005,24(1)：27-29.
〔5〕陈禄如.中国钢结构的发展和问题 〔J〕.钢结构,1996,11(1)：3-6.
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